Mass Transport Processes in vegetated wetlands-Optimal design of FWS wetlands

L'efficienza idraulica delle zone umide per il trattamento delle acque reflue è stata studiata in funzione della forma delle zone umide e della densità della vegetazione utilizzando un modello numerico bidimensionale mediato sulla verticale. In primo luogo, il modello numerico è stato calibrato e validato sulla base di dati sperimentali e quindi è stato applicato a 8 zone umide ipotetiche di forma rettangolare ed ellittica con differenti proporzioni (cioè da 1: 1 a 4: 1). La densità della vegetazione è stata variata da 0 a 1000 steli / m2. Inoltre è stato analizzatol 'effetto della configurazione dell'ingresso-uscita,simulando la risposta idraulica di zone umide con diversi allineamenti dell'ingresso e dell'uscita e di zone umide con più ingressi. Dalle simulazioni numeriche del campo di flusso e dall'evoluzione temporale della concentrazione di uscita di un tracciante passivo iniettato all'ingresso sono state ricavate le risultanti distribuzioni del tempo di residenza (RTD). Il campo di velocità simulato ha dimostrato che la forma delle zone umide può avere un impatto significativo sulle dimensioni delle zone morte, che si riflette anche nella RTD. Le metriche di efficienza associate al tempo di detenzione e al grado di miscelazione migliorano per una forma ellittica rispetto a una forma rettangolare. Una forma ad ellisse migliora le prestazioni delle zone umide riducendo l'area delle zone morte agli angoli, aumentando così il volume efficace che contribuisce al processo di trattamento. Le Configurazioni in cui l'ingresso e l'uscita erano situati agli angoli opposti della zona umida, e le zone umide con più ingressi producevano zone morte più piccole, che riducevano la varianza della RTD. I risultati delle simulazioni hanno anche rivelato un comportamento soglia interessante per quanto riguarda la densità dello stelo. Per densità di vegetazione oltre 300 steli / m2, che è tipica delle zone umide deputate al trattamento di acque reflue, le previsioni del modello non erano sensibili al valore esatto della densità di vegetazione, il che semplifica la parametrizzazione dei modelli. anche La presenza di distribuzioni eterogenee di vegetazione nelle zone umide artificiali è stata analizzata mediante un modello numerico in grado di simulare il flusso, il trasporto di massa e la rimozione dei contaminanti in una zona umida concettuale a superficie libera (FWS). Gli obiettivi principali erano (1) quantificare l'efficacia delle FWS wetlands con diverse distribuzioni di vegetazione nel ridurre la contaminazione dell'acqua e, se possibile, dare a tali schemi un'interpretazione fisica per aumentare la conoscenza dei processi che li governano e (2) valutare se esiste un modello ottimale che massimizza la rimozione dei contaminanti. Innanzitutto, il modello è stato calibrato e validato rispetto a dati di indagine provenienti da un'ampia varietà di tipi, dimensioni e forme vegetate di vaste zone umide superficiali e successivamente sono state eseguite simulazioni per diversi campi random di vegetazione caratterizzati da proprietà statistiche imposte, tra cui media, varianza e lunghezza di correlazione della distribuzione della densità dello stelo. le distribuzioni di vegetazione sono state generate in modo da imitare le distribuzioni che si verificano nelle zone umide naturali. I risultati hanno mostrato che l'efficienza di riduzione della concentrazione aumentava monotonicamente con la densità di vegetazione media, mentre la rimozione di massa aveva un picco per un valore intermedio della densità di vegetazione media. La media di insieme della rimozione totale della massa diminuiva all'aumentare della varianza della densità di vegetazione e della lunghezza di correlazione, poiché la presenza di macchie di vegetazione, regioni localizzatecon densità di steli alta o bassa, promuoveva percorsi di flusso preferenziali. In particolare, è stato rilevato come percorsi di flusso preferenziali paralleli alla direzione media del flusso riducano l'efficienza idraulica delle zone umide producendo cortocircuiti, mentre, per la stessa densità media staminale, strisce alternate di densità dello stelo perpendicolari alla direzione del flusso forniscono maggiore concentrazione e efficienze di riduzione di massa. I risultati forniscono una guida per i progettisti di zone umide artificiali grazie allo sviluppo di una comprensione quantitativa dell'impatto idraulico dell'eterogeneità spaziale nella vegetazione. Questa analisi quantitativa dell'effetto della forma delle zone umide, della configurazione dell'ingresso e della distribuzione della vegetazione può aiutare gli ingegneri a realizzare soluzioni di progettazione più efficienti ed economicamente vantaggiose per le zone umide di trattamento delle acque reflue.